DropArt - เครื่องถ่ายภาพสองหยดที่แม่นยำ: 11 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

สวัสดีหนึ่งและทั้งหมด

ในคำแนะนำนี้ฉันนำเสนอการออกแบบของฉันสำหรับคอมพิวเตอร์ควบคุมเครื่องชนกันหยดของเหลวสองตัว ก่อนที่เราจะเริ่มต้นในรายละเอียดการออกแบบ ฉันคิดว่าควรอธิบายว่าจุดประสงค์ของการออกแบบคืออะไร

สาขาการถ่ายภาพที่สนุก น่าสนใจ และสวยงามเกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพหยดน้ำในขณะที่กระทบกับแอ่งของเหลวที่คล้ายคลึงกัน สิ่งนี้สามารถสร้างภาพที่น่าสนใจได้ เพื่อให้ได้ภาพที่เจ๋งจริงๆ เราต้องชนของเหลวสองหยด ดังนั้นหยดแรกกระทบแอ่งของของเหลวและสร้างสิ่งที่ฉันเรียกว่า 'รางน้ำขึ้น' ซึ่งลอยขึ้นมาจากสระเหนือตรงที่หยดแรกกระทบ ตอนนี้หยดที่สอง หมดเวลาอย่างแม่นยำ กระทบด้านบนของ 'รางน้ำขึ้น' ที่ระเบิดของเหลวออกไปด้านนอกเพื่อสร้างรูปร่างที่น่าทึ่งและไม่เหมือนใคร

จุดประสงค์ของการออกแบบ DropArt ของฉันคือการจัดเตรียมคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• เพื่อปล่อยหยดของเหลวที่มีขนาดทำซ้ำได้
• เพื่อปล่อยของเหลวหยดที่สองด้วยขนาดที่ทำซ้ำได้และจังหวะเวลาที่แม่นยำโดยสัมพันธ์กับหยดแรก
• เพื่อควบคุมชัตเตอร์กล้องเพื่อจับภาพการชนกันของหยด
• เพื่อควบคุมหัวแฟลชเพื่อหยุดการชนกันในช่วงเวลาที่แม่นยำ
• เพื่อให้มีตัวควบคุมแบบสแตนด์อโลนที่เป็นมิตรกับผู้ใช้ ซึ่งให้ความสามารถในการควบคุมพารามิเตอร์ทั้งหมดและการกำหนดค่าที่หลากหลาย
• เพื่อให้ส่วนต่อประสานผู้ใช้ที่ใช้ Windows เป็นมิตรกับผู้ใช้หรือ GUI ที่เชื่อมต่อผ่าน USB
• เพื่อจัดเตรียม bootloader เพื่ออำนวยความสะดวกในการแฟลชเฟิร์มแวร์ซ้ำผ่าน USB

ควรมีการป้องกันที่เพียงพอระหว่างแผงควบคุมกับกล้องที่เชื่อมต่อและอุปกรณ์แฟลช

ขั้นตอนที่ 1: ดูผลลัพธ์บางอย่างก่อน …

ก่อนเข้าสู่รายละเอียดการออกแบบ ให้เราดูผลลัพธ์บางส่วนจากโครงการ DropArt ก่อน หากคุณในฐานะผู้อ่านชอบผลลัพธ์ คุณอาจต้องการดูเพิ่มเติมในการออกแบบและอาจมีปัญหาในการสร้างด้วยตัวเองซึ่งฉันจะให้การสนับสนุน

สิ่งสำคัญในการถ่ายภาพ DropArt

ควรสังเกตว่าเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด กล้องจะถูกตั้งค่าเป็นโหมด B (หรือหลอดไฟ) ซึ่งหมายความว่าตราบใดที่กดชัตเตอร์ ชัตเตอร์ก็จะเปิดอยู่ นี่คือโหมดที่ฉันพบว่าทำงานได้ดีที่สุดสำหรับการถ่ายภาพ DropArt จริงๆ แล้วมันคือแฟลชที่จับภาพช่วงเวลานั้น ไม่ใช่ชัตเตอร์ของกล้อง เพื่อให้ได้ระยะเวลาแฟลชสั้น ๆ ควรรักษากำลังแสงแฟลชให้เหลือน้อยที่สุด ฉันมักจะใช้ชุดแฟลชขนาดเล็กสองชุดโดยตั้งค่ากำลังเอาต์พุตต่ำแบบแมนนวล (ดูภาพในบทสรุป) แฟลชหนึ่งยูนิตเชื่อมต่อกับคอนโทรลเลอร์ DropArt และยิงผ่านสายเคเบิล หัวแฟลชอันที่สองมีลักษณะเป็นทาสทางแสงจากอันแรก

เนื่องจากเราอยู่ในโหมด B แสงแวดล้อมที่มากเกินไปจะทำให้ภาพเบลอ ดังนั้น ควรถ่ายภาพหยดน้ำในสภาพแสงน้อย - ให้แสงเพียงพอที่จะเห็นสิ่งที่คุณกำลังทำ ฉันมักจะถ่ายภาพที่ประมาณ f11 ดังนั้นเอฟเฟกต์เนื่องจากแสงโดยรอบจึงลดลง

เทคนิคพื้นฐานและการตั้งค่า

ควรสังเกตว่าการตั้งค่าทุกครั้งจะแตกต่างกันเล็กน้อย และคุณต้องอดทนและมีระเบียบ เมื่อคุณมีการชนกันสองหยดแบบพื้นฐาน คุณจะพบผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้เกือบ 100% สำหรับการตั้งค่าพื้นฐานด้านล่าง ฉันใช้น้ำประปาที่มีสีผสมอาหารสีแดง เครื่องจ่ายน้ำหยดอยู่เหนือสระของเหลวประมาณ 25 ซม.

ตรวจสอบให้แน่ใจว่ากาลักน้ำ Mariotte ถูกล้างด้วยของเหลวโดยใช้คุณสมบัติการล้าง (ดูตัวอย่างวิดีโอ) และตรวจดูให้แน่ใจว่าระดับของเหลวไม่ลดลงต่ำกว่าด้านล่างของกาลักน้ำ Mariotte

• เริ่มต้นด้วยขนาดหยดเดียว 35ms
• ตั้งค่าการหน่วงเวลาชัตเตอร์เป็น 100ms
• ตั้งค่าการหน่วงเวลาแฟลชเป็น 150ms
• เพิ่มการดีเลย์ของแฟลชเป็น +10ms เพิ่มขึ้นจนกว่าคุณจะเห็นการดรอปปรากฏที่ด้านบนของเฟรม
• คุณสามารถเพิ่มการดีเลย์ของแฟลชผ่านลำดับการตกทั้งหมดได้แล้ว
• เพิ่มการดีเลย์ของแฟลชต่อไปจนกว่าคุณจะมีรางเลื่อนหยดเดียวเต็ม
• ตอนนี้เพิ่มขนาดดรอปที่สอง 35ms และดีเลย์ประมาณ 150ms
• ปรับการหน่วงเวลาการดรอปสองครั้งใน +/-10 มิลลิวินาที เพิ่มขึ้นจนปรากฏที่ด้านบนของเฟรมเหนือรางเลื่อนหยดแรก
• ปรับการหน่วงเวลาการหยดสองครั้งจนกระทั่งหยดที่สองชนกับรางน้ำขึ้นจากหยดแรก

ตอนนี้คุณมีการชนกันขั้นพื้นฐาน คุณสามารถเล่นกับการตั้งค่าเพื่อให้ได้เอฟเฟกต์ที่คุณต้องการ

ของเหลวที่มีความหนาแน่นต่างกันจะต้องมีการตั้งค่าที่แตกต่างกัน แต่คุณสามารถจัดเก็บสิ่งเหล่านี้ในรูปแบบที่แตกต่างกันได้

ขั้นตอนที่ 2: วิดีโอไทม์แล็ปส์ของการดรอปต่อเนื่อง

ที่นี่ฉันนำเสนอวิดีโอ - นี่คือชุดของการหยดต่อเนื่องกันซึ่งถ่ายเป็นภาพนิ่งโดยมีช่วงเวลาแฟลชล่วงหน้า 10 มิลลิวินาทีหรือ 5 มิลลิวินาทีเพื่อหยุดการเคลื่อนไหว จากนั้นฉันได้นำภาพนิ่งที่ได้มาต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างแอนิเมชั่นสั้นๆ เกี่ยวกับชีวิตของหยดน้ำและการชนที่ตามมาด้วยการหยดครั้งที่สอง

ขั้นตอนที่ 3: DropArt Mechanical Drop Dispenser

เนื้อหาที่สำคัญที่สุดของโครงการ DropArt คือเครื่องจ่ายแบบกลไก การออกแบบส่วนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างความมั่นใจว่าขนาดหยดสม่ำเสมอสม่ำเสมอ

หัวใจของการออกแบบคือวาล์วทางกลซึ่งเปิดและปิดโดยใช้โซโลนอยด์แบบปิดปกติแบบสปริงโหลด 12v โซโลนอยด์นี้ถูกควบคุมอย่างแม่นยำโดยใช้บอร์ดควบคุมที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์

ภาชนะของเหลวคือ 36 มม. OD, 30 มม. ID หลอดอะครีลิค ในการปิดฝาหลอด ฉันได้พิมพ์ 3D ด้วย HIPS ฝาท้ายที่ออกแบบมาเพื่อรองรับข้อต่อท่อขนาด 1/4 นิ้วมาตรฐาน (ดูรูป) หยดจะถูกจ่ายจากหางท่อที่มีหนาม - เกลียวขนาด 1/4 นิ้วเช่นกัน

ส่วนบนของหลอดอะครีลิคปิดด้วยยางกันกระแทกขนาด 29 ยางกันกระแทกมีรูตรงกลางซึ่งฉันได้ติดตั้งท่อพลาสติกเพื่อสร้างกาลักน้ำ Mariotte (ดูหัวข้อเฉพาะเกี่ยวกับกาลักน้ำ Mariotte)

โซโลนอยด์อยู่ในกล่องพลาสติกขนาดเล็กและเชื่อมต่อกับเต้ารับไฟฟ้าภายนอก

ขั้นตอนที่ 4: การออกแบบและภาพรวมของบอร์ดควบคุม DropArt

ในส่วนนี้ ฉันนำเสนอวิดีโอสั้นๆ เกี่ยวกับแผงควบคุมต้นแบบของ DropArt และการสร้าง

ขั้นตอนที่ 5: แผนผังบอร์ดควบคุม DropArt

รูปภาพที่นี่แสดงแผนผังของแผงควบคุมควบคุม เราจะเห็นได้ว่าการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC อันทรงพลัง แผนผังนั้นค่อนข้างง่าย

คุณสามารถดาวน์โหลดแผนผังได้ที่นี่:

www.dropbox.com/sh/y4c6jrt41z2zpbp/AAC1ZKA…

หมายเหตุ: ในวิดีโอ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เป็นแบบ 78L05 ขนาดเล็ก ฉันขอแนะนำให้ใครก็ตามที่สร้างการออกแบบนี้ใช้ 7805 ที่ใหญ่กว่าในแพ็คเกจ TO220

ขั้นตอนที่ 6: DropArt - ใช้งานระบบจริง

ในส่วนนี้ ฉันนำเสนอวิดีโอที่มีรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีใช้ระบบควบคุม DropArt จริงๆ วิดีโอครอบคลุมการใช้ฮาร์ดแวร์แบบสแตนด์อโลนและอินเทอร์เฟซผู้ใช้บน Windows หรือ GUI

ขั้นตอนที่ 7: DropArt - ตรวจสอบความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำ

ในขั้นตอนนี้ ฉันพยายามอธิบายลำดับการดรอปสองครั้งและแสดงความถูกต้องของเวลาของโปรเจ็กต์ DropArt

ออสซิลโลสโคปแนวนอน 50ms / เครื่องหมาย

ในขั้นต้น พิจารณาภาพที่สองของสองภาพ นี่เป็นการติดตามที่ง่ายมากจากออสซิลโลสโคปของฉันที่แสดงขีด 1ms พื้นฐานซึ่งเป็นฐานเวลาสำหรับระยะเวลาของโครงการทั้งหมด เห็บนี้สร้างขึ้นในไมโครโปรเซสเซอร์ PIC โดยใช้ตัวจับเวลาฮาร์ดแวร์ที่ฝังไว้ซึ่งตั้งโปรแกรมให้สร้างการขัดจังหวะ ณ เวลาที่แม่นยำ เมื่อใช้ฐานเวลานี้ ขนาดการดร็อป ดีเลย์ระหว่างดร็อป ดีเลย์ชัตเตอร์ และดีเลย์ของแฟลช สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำมากโดยให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้มาก

ตอนนี้ให้พิจารณาภาพแรกจากสองภาพ:

รอยสีน้ำเงินตรงกลางแสดงการปล่อยสองหยด แต่ละดรอปมีระยะเวลาขนาด 50ms และดีเลย์การดรอป 2 150ms

รอยสีชมพูด้านล่างคือไฟแฟลชที่มีดีเลย์ 300ms หลังจากปล่อย 1 หยดและค้างไว้ 30ms

แถบสีเหลืองด้านบนแสดงการลั่นชัตเตอร์ มีความล่าช้าที่ตั้งโปรแกรมไว้ 200ms อย่างไรก็ตาม สันนิษฐานว่ากล้องมีความล่าช้าของชัตเตอร์ที่ 100 มิลลิวินาที ดังนั้นการลั่นชัตเตอร์จึงเร็วกว่าที่ตั้งโปรแกรมไว้ 100 มิลลิวินาที ชัตเตอร์ยังคงเปิดอยู่ตลอดระยะเวลาของซีเควนซ์ (โหมดกล้อง B) ชัตเตอร์จะปิดลงหลังจากหมดเวลาแฟลช 30 มิลลิวินาทีแล้ว

ขั้นตอนที่ 8: The Mariotte Siphon - อธิบาย

ลักษณะที่สำคัญมากของการออกแบบคือวิธีควบคุมแรงดันของเหลวที่อินพุตไปยังวาล์ว เมื่อระดับของเหลวในอ่างเก็บน้ำลดลง ความดันที่อินพุตไปยังวาล์วจะลดลง ดังนั้นอัตราการไหลของของเหลวก็จะลดลงเช่นกัน ขนาดหยดสำหรับเวลาที่วาล์วเปิดจะลดลงเมื่อระดับอ่างเก็บน้ำลดลง สิ่งนี้ทำให้การควบคุมการชนกันของการตกหล่นแบบไดนามิกและขึ้นอยู่กับระดับของเหลว วิดีโอในขั้นตอนนี้อธิบายว่าปัญหานี้ได้รับการแก้ไขอย่างไร

วิดีโอสั้น ๆ ที่สองแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติการล้างข้อมูลของ DropArt สามารถใช้เพื่อทำให้กาลักน้ำ Mariotte ทำงานได้ดีเพียงใด เช่นเดียวกับการล้างหรือทำความสะอาดวาล์วทางกล

ขั้นตอนที่ 9: Bootloader ใช้สำหรับ PIC Re-flashing

วิดีโอสั้นๆ นี้สาธิตและอธิบายการทำงานของ PIC bootloader ซึ่งสามารถใช้เพื่อแฟลช PIC อีกครั้งผ่าน USB โดยไม่จำเป็นต้องใช้โปรแกรมเมอร์ PIC โดยเฉพาะ

ขั้นตอนที่ 10: รายการชิ้นส่วน DropArt

แนบเป็นเอกสารคำรายการส่วนที่ฉันใช้สำหรับการสอน

นี่คือรายการชิ้นส่วนที่จำเป็นในการสร้างโปรเจ็กต์ DropArt แถบชิ้นส่วนทั้งหมดมีให้ในตัวเอง ข้อยกเว้นคือฝาท้ายสำหรับภาชนะของเหลวอะคริลิกที่ฉันพิมพ์ 3 มิติ ฉันได้แนบหลอดอะครีลิก OD 36mm end cap modeI (รูปแบบ STL) เข้ากับขั้นตอนนี้

ส่วนประกอบที่ใช้งาน

ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC18F2550 ตามที่ให้มา นี่เป็นชิ้นส่วนที่ไม่ได้ตั้งโปรแกรมไว้ ดังนั้นจำเป็นต้องแฟลชด้วยเฟิร์มแวร์ DropArt หากคุณมีโปรแกรมเมอร์ที่เหมาะสม คุณสามารถดำเนินการเองได้ หรือจะส่งชิ้นส่วนแบบพรีแฟลชมาให้คุณ หรือคุณสามารถส่งชิ้นส่วนเปล่าสำหรับการกะพริบมาให้ฉันก็ได้

• โมดูล LCD อักขระสีน้ำเงิน IIC 20x4 แบบอนุกรมสีน้ำเงิน
• 78L05 ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
• AN25 opto-isolator หรือใกล้เคียง – 2 off
• MOC3020 opto-triac
• IRF9530 P-channel FET หรือใกล้เคียง
• TLS106 SCR ไทริสเตอร์หรือใกล้เคียง
• ไฟ LED 2 ปิด

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ

• 1N4001 ไดโอด (ป้องกันขั้วย้อนกลับ)
• ตัวเก็บประจุเซรามิก 100nf 3 ปิด
• ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 22uf 16v หรือที่คล้ายกัน 2 off
• ตัวเก็บประจุเซรามิก 22pf 2 ปิด
• 4MHz คริสตัล HC49/4H ตะกั่ว
• เครือข่ายตัวต้านทานแบบแยก 8 พิน SIL 1.8K 2 ปิด
• SIL 8 พินเครือข่ายตัวต้านทานทั่วไป 4.7k 1 ปิด
• ตัวต้านทาน 470R 1/4W 1 ปิด
• ตัวต้านทาน 10K 1/4W 2 ปิด

ตัวเชื่อมต่อ

• ปลั๊กไฟติดบอร์ด 2.5 มม.
• ปลั๊กไฟ/เต้ารับแบบยึดกับแชสซี 2.5 มม.
• ช่องเสียบโมโนแจ็ค 2.5 มม. (โซลินอยด์)
• ช่องเสียบโมโนแจ็ค 3.5 มม. 2 ปิด (ชัตเตอร์และแฟลช)
• USB ชนิด B ซ็อกเก็ตหญิง DIP 90 องศา
• พินเฮดเดอร์ 2.54มม. 4 ทาง
• ซ็อกเก็ต IC ขาหมุน 28 พิน DIL
• DIL 6pin เปิดพินซ็อกเก็ต IC 3 ปิด

อื่น

• บอร์ดต้นแบบ FR-4 ขนาด 12 ซม. x 8 ซม. ผ่านรูชุบ
• ผลักดันให้ผ่านรูปุ่มขนาดเล็ก
• สวิตช์เข้ารหัสแบบหมุน 2 บิต รหัสสีเทา
• ปุ่มควบคุมเพื่อให้พอดีกับตัวเข้ารหัสแบบหมุน

กลศาสตร์

• ท่ออะคริลิคใส 36 มม. OD 30 มม. ID และยาว 18 ซม.
• ฝาท้าย (พิมพ์ 3 มิติ) ให้พอดีกับท่ออคิลิค OD 36mm
• Mariotte แบบกาลักน้ำให้พอดีกับก้นหลุม ยาว 16 ซม.
• ยางกันกระแทกขนาด 29 มีรูตรงกลาง
• ปลายท่อมีหนาม 1/4” เกลียว x 4mm รูรับแสง
• BSPP ตัวเมียกั้นพร้อมน็อตยึด 1/4 นิ้ว
• จุกนมบาร์เรล1/4นิ้ว
• 12V DC 4W ไฟฟ้าโซลินอยด์วาล์วอากาศ / แก๊ส / น้ำ / เชื้อเพลิงโดยปกติปิด 1/4 นิ้วสองทาง

ขั้นตอนที่ 11: บทสรุปและความคิด

ฉันสนุกกับการสร้างและทำให้โครงการนี้สมบูรณ์แบบ โครงการของฉันมักจะเริ่มต้นจากจุดเริ่มต้นเดียวกันเสมอ ฉันเริ่มสนใจบางสิ่งที่อาจต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะทาง เมื่อพบและซื้ออุปกรณ์บ่อยครั้ง ฉันมักจะผิดหวังกับคุณภาพและฟังก์ชันการทำงาน และต่อมารู้สึกว่าจำเป็นต้องออกแบบและสร้างอุปกรณ์ของตัวเองเพื่อทำงานที่จำเป็นอย่างเหมาะสม นี่เป็นกรณีที่เกิดขึ้นจริงกับโครงการ DropArt

ตอนนี้โปรเจ็กต์ DropArt ช่วยให้ฉันสามารถทำการชนของเหลวด้วยความสามารถในการทำซ้ำได้เกือบ 100% ดังนั้นฉันจึงสามารถจดจ่อกับภาพมากกว่าที่จะหงุดหงิดกับการถ่ายภาพหลายร้อยภาพโดยหวังว่าจะได้รับการชนกันเล็กน้อย

ฉันผลิตและโพสต์บทความที่สอนได้เหล่านี้ด้วยเหตุผลสามประการ ประการแรก ฉันชอบผลิต Instructable มาก เนื่องจากเป็นวิธีจัดทำเอกสารโครงการและทำหน้าที่เป็นการปิด ประการที่สอง ฉันหวังว่าผู้คนจะอ่านและสนุกกับบทความนี้ และอาจเรียนรู้สิ่งใหม่ และประการที่สามเพื่อให้ความช่วยเหลือและสนับสนุนทุกคนที่ต้องการมีช่องโหว่ในการสร้างโครงการ ฉันใช้เวลาทั้งชีวิตการทำงานในฐานะวิศวกรออกแบบด้านอิเล็กทรอนิกส์และซอฟต์แวร์ ตั้งแต่อายุยังน้อย นักงานอดิเรกอิเล็กทรอนิกส์ที่กระตือรือร้นเป็นพิเศษ ฉันสนุกกับการช่วยเหลือผู้อื่นที่อาจต้องการสร้างเพื่อตัวเองแต่ต้องการคำแนะนำและการสนับสนุนเล็กน้อย

รูปภาพที่แนบมาแสดงการตั้งค่า DropArt ในเวิร์กชอปของฉัน

โปรดแสดงความคิดเห็นหรือข้อความส่วนตัวหากต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม

ขอบคุณมาก, เดฟ